CN106130654A

CN106130654A - 一种涡旋电磁波产生装置及方法

Info

Publication number: CN106130654A
Application number: CN201610505796.5A
Authority: CN
Inventors: 周斌; 俞凯; 卜智勇
Original assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology of CAS
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2036-06-30
Also published as: CN106130654B

Abstract

本发明涉及一种涡旋电磁波产生装置及方法，其中，所述装置包括：信道编码模块；星座映射模块，其根据所述信道编码模块输出的编码信息生成一个复数字信号流a(n)；轨道角动量调制模块，其根据一模式定义模块中预设的OAM拓扑荷l，将所述复数字信号流a(n)转变为用于激发携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波的N维阵元激励信号B(n)；DAC模块，其对所述N维阵元激励信号B(n)进行数模转换，并生成N维模拟信号C(t)；正交上变频模块，其根据一相位同步模块直接提供或触发产生的本振信号，对所述N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)；以及与所述正交上变频模块连接的圆环阵列发射天线。本发明实现了由软件定义OAM拓扑荷的涡旋电磁波的产生。

Description

一种涡旋电磁波产生装置及方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种基于矢量调制的涡旋电磁波产生装置及方法。

背景技术

根据量子力学和麦克斯韦理论，天线辐射的电磁波具有波粒二象性，可以像运动粒子一样携带线动量与角动量。电磁波角动量包括自旋角动量(SpinAngular Momentum，SAM)和轨道角动量(Orbital Angular Momentum，OAM)两部分，其中，SAM与光子旋转相关，表现为电磁波的左旋或右旋圆极化，仅有±(表示约化普朗克常量)两个正交状态；OAM则与光子波函数空间分布相关，是所有“涡旋电磁波”的基本属性，表现为波束具有螺旋状等相位面并且沿螺旋线传播(如图1所示)。涡旋电磁波中每个光子携带的轨道角动量，拓扑荷l取值为任意整数，不同拓扑荷l的OAM模式彼此正交。因此，拥有无穷多个正交模式的涡旋电磁波，理论上可以承载无穷多路信息同时同频的复用传输，从而提供了一种独立于时间、频率与极化之外的信息复用新自由度，进而有望成倍提升无线通信系统的容量与频谱效率。

轨道角动量复用通信理论上超高的频谱效率，使其成为解决未来通信网络频谱资源稀缺与千倍容量增长需求间矛盾的最有潜力的关键技术之一；目前已成功应用于自由空间光通信、光纤通信、可见光通信、毫米波与太赫兹通信等诸多前沿领域。

自1992年Allen等人首次试验证实了具有相位因子的拉盖尔-高斯(LG，Laguerre-Gaussian)涡旋光束可携带轨道角动量，针对OAM的研究已深入至射电天文、原子操纵、关联成像、量子通信、光学与光子学等诸多领域。近年来，研究发现涡旋电磁波的无穷多个OAM正交模式，与光子能量、频率和极化属性一样，是信息复用的独立自由度。深入挖掘OAM这一尚未充分利用的电磁波参数维度，有望大幅提高无线通信频谱效率，满足未来2-3个数量级的容量增长需求。

现有技术中，携OAM涡旋电磁波的产生方法，总体上可分为“通过模式转换”和“基于OAM天线”两类。前者多用于可见光与毫米波频段，具体包括：将平面电磁波(高斯光束)通过螺旋相位板、Q盘、柱面透镜、计算全息光栅等转换器变为涡旋电磁波(LG光束)；后者则适用于微波频段，具体包括：直接由经过特殊设计的OAM天线辐射产生，例如：均匀圆环阵列天线、赋形抛物面天线和环形谐振器天线等。上述方法共同的局限性在于：当天线或转换器的设计加工完成后，就只能产生一种或几种固定的OAM模式，而无法通过软件重新定义模式拓扑荷。

轨道角动量复用传输，在光通信领域的研究进展令人兴奋(传输速率已突破100Tbps)；然而，在无线通信系统最常使用的微波频段，该项技术尚处于理论探索与概念验证阶段，其中一个主要技术瓶颈即上述“多种OAM模式的天线通用性问题”。由于无法使用光栅、Q盘、相位板等光学器件进行模式转换，微波频段上OAM模式的产生与检测更困难，依赖于收发天线的特殊定制化设计，通常一副天线只能实现一种或少数几种正交模式，很难用一个硬件平台全面支持各种OAM模式，因而系统的灵活性与适应性有限。基于OAM复用的新型通信体制，在微波频段上巨大潜力的发挥，将很大程度上依赖于上述关键问题的解决。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一种涡旋电磁波产生装置及方法，以产生物理特征明显区别与传统平面波的携OAM涡旋电磁波，并实现由软件定义及控制电磁波束OAM拓扑荷的目的。

本发明之一所述的一种涡旋电磁波产生装置，其包括：

信道编码模块，其对外围输入的二进制的信息比特流进行编码；

与所述信道编码模块连接的星座映射模块，其根据所述信道编码模块输出的编码信息生成一个复数字信号流a(n)；

与所述星座映射模块连接的轨道角动量调制模块，其根据一模式定义模块中预设的OAM拓扑荷l，将所述复数字信号流a(n)转变为用于激发携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波的N维阵元激励信号B(n)；

与所述轨道角动量调制模块连接的DAC模块，其对所述N维阵元激励信号B(n)进行数模转换，并生成N维模拟信号C(t)；

与所述DAC模块连接的正交上变频模块，其根据一相位同步模块直接提供或触发产生的本振信号，对所述N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)；以及

与所述正交上变频模块连接的圆环阵列发射天线，其接收所述N维射频信号D(t)，以发射携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述N维阵元激励信号B(n)包括N个激励信号元素b_k+1(n)，k＝0，1，……，N-1，且第k+1个激励信号元素b_k+1(n)由下式(1)表示：

\begin{matrix} b_{k + 1} (n) = (A_{I} (n) c o s \frac{2 π l k}{N} - A_{Q} (n) \sin \frac{2 π l k}{N}) \\ + j (A_{I} (n) \sin \frac{2 π l k}{N} + A_{Q} (n) \cos \frac{2 π l k}{N}), \\ k = 0, 1, ......, N - 1 - - - (1); \end{matrix}

其中，A_I(n)表示所述复数字信号流a(n)中实部的I路信号流，A_Q(n)表示所述复数字信号流a(n)中虚部的Q路信号流。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述N维模拟信号C(t)包括N个模拟信号元素c_m(t)，m＝1，2，……，N；所述正交上变频模块包括N个上变频单元，且该N个上变频单元分别对所述N个模拟信号元素c_m(t)进行正交上变频；所述N维射频信号D(t)包括N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N，且第m个射频信号元素d_m(t)由第m个模拟信号元素c_m(t)经过第m个上变频单元正交上变频后获得，并由下式(2)表示：

其中，I_m(t)和Q_m(t)分别表示所述第m个模拟信号元素c_m(t)中的I路分量和Q路分量，f_c表示载波频率，表示第m个上变频单元的本振信号f_m(t)，表示第m个上变频单元的本振信号f_m(t)的相位。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述N个上变频单元的本振信号的相位相同，第m个上变频单元的本振信号f_m(t)由下式(3)表示：

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述圆环阵列发射天线包括N个沿圆环等间隔排列的单元天线，且该N个单元天线分别接收所述N维射频信号D(t)中的N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述单元天线为微带贴片天线或喇叭天线。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述装置还包括连接在所述星座映射模块与轨道角动量调制模块之间的第一符号级处理模块。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述装置还包括连接在所述轨道角动量调制模块与所述DAC模块之间的第二符号级处理模块。

在上述的涡旋电磁波产生装置中，所述装置还包括依次连接在所述正交上变频模块与圆环阵列发射天线之间的功率放大器和滤波器。

本发明之二所述的一种涡旋电磁波产生方法，其包括以下步骤：

步骤S1，提供如上所述的涡旋电磁波产生装置；

步骤S2，通过所述信道编码模块对外围输入的二进制的信息比特流进行编码；

步骤S3，通过所述星座映射模块根据所述信道编码模块输出的编码信息生成一个复数字信号流a(n)；

步骤S4，通过所述轨道角动量调制模块根据所述模式定义模块中预设的OAM拓扑荷l，将所述复数字信号流a(n)转变为用于激发携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波的N维阵元激励信号B(n)；

步骤S5，通过所述DAC模块用于对所述N维阵元激励信号B(n)进行数模转换，并生成N维模拟信号C(t)；

步骤S6，通过所述正交上变频模块根据所述相位同步模块直接提供或触发产生的本振信号对所述N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)；以及

步骤S7，通过所述圆环阵列发射天线接收所述N维射频信号D(t)，以发射携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波。

由于采用了上述的技术解决方案，本发明利用了传统无线通信发射机的信道编码模块、星座映射模块以及正交上变频模块，并新增了轨道角动量调制模块、圆环阵列发射天线、模式定义模块以及相位同步模块等，从而通过这些新增模块的综合运用与协同工作，实现了由软件定义OAM拓扑荷的涡旋电磁波的产生，解决了当前微波频段涡旋电磁波的产生严重依赖专用天线与准光学器件的问题。本发明适用于微波与毫米波频段上基于轨道角动量的无线通信系统中。

附图说明

图1是涡旋电磁波与轨道角动量(OAM)复用技术的原理示意图；

图2是本发明的一种涡旋电磁波产生装置的较佳实施例的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图2所示，本发明之一，即一种涡旋电磁波产生装置，包括：依次连接的信道编码模块1、星座映射模块2、轨道角动量调制模块(以下称为OAM调制模块)3、数模转换模块(以下称为DAC模块)4、正交上变频模块5和圆环阵列发射天线6，以及与OAM调制模块3连接的模式定义模块7、与正交上变频模块5连接的相位同步模块8，其中：

信道编码模块1用于对外围输入的二进制的信息比特流进行编码；

星座映射模块2用于根据信道编码模块1输出的编码信息生成一个复数字信号流a(n)，该复数字信号流a(n)包括实部的I路信号流A_I(n)以及虚部的Q路信号流A_Q(n)，即，a(n)＝A_I(n)+jA_Q(n)；

OAM调制模块3用于根据模式定义模块7中预设的OAM拓扑荷l(该OAM拓扑荷l可通过软件定义与控制)，将星座映射模块2输出的复数字信号流a(n）转变为用于激发携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波(即，“特定正交模式”的涡旋电磁波)的N维阵元激励信号B(n)，其中，N维阵元激励信号B(n)包括N个激励信号元素b_k+1(n)，k＝0，1，……，N-1，即，B(n)＝[b₁(n)，b₂(n)，……，b_N(n)]，且第k+1个激励信号元素b_k+1(n)由下式(1)表示：

\begin{matrix} b_{k + 1} (n) = (A_{I} (n) c o s \frac{2 π l k}{N} - A_{Q} (n) \sin \frac{2 π l k}{N}) \\ + j (A_{I} (n) \sin \frac{2 π l k}{N} + A_{Q} (n) \cos \frac{2 π l k}{N}), \\ k = 0, 1, ......, N - 1 - - - (1); \end{matrix}

DAC模块4用于对OAM调制模块3输出的N维阵元激励信号B(n)进行数模转换，并生成N维模拟信号C(t)，其中，N维模拟信号C(t)包括N个模拟信号元素c_m(t)，m＝1，2，……，N，即，C(t)＝[c₁(t)，c₂(t)，……，c_N(t)]，且第m个模拟信号元素c_m(t)包括I路分量I_m(t)和Q路分量Q_m(t)；

正交上变频模块5用于根据相位同步模块8直接提供或触发产生的本振信号，对DAC模块4输出的N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)，其中，N维射频信号D(t)包括N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N，即，D(t)＝[d₁(t)，d₂(t)，……，d_N(t)]；该正交上变频模块5包括N个上变频单元50，分别对N个模拟信号元素c_m(t)(m＝1，2，……，N)进行正交上变频，并相应地生成N个射频信号元素d_m(t)(m＝1，2，……，N)，且第m个射频信号元素d_m(t)由下式(2)表示：

其中，f_c表示载波频率，表示第m个上变频单元50的本振信号f_m(t)，表示第m个上变频单元50的本振信号f_m(t)的相位；

由于N个上变频单元50的本振信号的相位相同，因此第m个上变频单元50的本振信号f_m(t)也可以由下式(3)表示

圆环阵列发射天线6为由N个沿圆环等间隔排列的单元天线(也称为“阵元”)所组成的平面阵列天线，该圆环阵列发射天线6的N个单元天线分别接收正交上变频模块5输出的N维射频信号D(t)中的N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N，以发射携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波。

在本实施例中，涡旋电磁波产生装置还可以包括：

连接在星座映射模块2与OAM调制模块3之间的第一符号级处理模块，例如，OFDM(正交频分复用)调制模块9和加窗成帧模块10等各种可能的处理模块，其用于对星座映射模块2输出的复数字信号流a(n)进行OFDM调制、时域加窗、成帧、数字上变频等处理，并将经过处理的复数字信号流a(n)传输至OAM调制模块3；

连接在OAM调制模块3与DAC模块4之间的第二符号级处理模块，例如，数字变频模块(图中未示)、脉冲成形模块(图中未示)等各种可能的处理模块，其用于对OAM调制模块3输出的N维阵元激励信号B(n)进行数字变频、脉冲成形等处理，并将经过处理的N维阵元激励信号B(n)传输至DAC模块4；

依次连接在正交上变频模块5与圆环阵列发射天线6之间的功率放大器11和滤波器12等信号处理模块，其用于对正交上变频模块5输出的N维射频信号D(t)进行功率放大和滤波等处理，并将经过处理的N维射频信号D(t)传输至圆环阵列发射天线6。

在本实施例中，DAC模块4可以包括2N个DAC(数模转换器)40，分别对N维阵元激励信号B(n)中的N个激励信号元素b_k+1(n)(k＝0，1，……，N-1)进行数模转换(这是由于DAC通常只处理实信号，因此对于1个复数信号，需要2个DAC，故此处需要2N个DAC40对N个激励信号元素b_k+1(n)的实部(I路)与虚部(Q路)分别进行数模转换)，并相应地生成N个模拟信号元素c_m(t)(m＝1，2，……，N)。

在本实施例中，射频域的相位同步模块8能够确保正交上变频模块5针对输入的每个模拟信号元素所使用的本振信号在相位上完全相同，即， (这N个本振信号均由同一相位同步模块8分别直接提供至正交上变频模块5的N个上变频单元50，或由N个上变频单元50根据同一相位同步模块8触发产生)。相位同步模块8保持各本振信号相位同步的方法(该方法为常规技术，也被应用于多天线无线通信系统(MIMO)中)，可以包括以下两种：

1)采用同一个本振信号对各个输入的模拟信号元素进行上变频(也称为“共本振方案”)，即，可以由相位同步模块8向正交上变频模块5的N个上变频单元50直接提供同一个本振信号f(t)，从而实现各个上变频单元50的本振信号的相位同步；

2)使用时钟分配器的方法，即，相位同步模块实质上作为一个外部时钟源，将同一个时钟信号(例如10MHz信号)提供给各个上变频单元50中的锁相环电路作为参考输入信号，从而确保各个上变频单元50的锁相环电路可以分别触发产生相位同步的本振信号f_m(t)(也称为“非共本振方案”)。

在本实施例中，圆环阵列发射天线6的N个阵元为相似元，它们可以是微带贴片天线，也可以是喇叭天线等其它类型的天线。在本实施例中，将经过功率放大和滤波等处理的N维射频信号D(t)记作圆环阵列发射天线6的N维输入信号E(t)，该N维输入信号E(t)包括N个输入信号元素e_m(t)，m＝1，2，……，N，即，E(t)＝[e₁(t)，e₂(t)，……，e_N(t)]，其中，第1个输入信号元素e₁(t)为1号阵元的激励信号，第2个输入信号元素e₂(t)为2号阵元的激励信号，以此类推，第N个输入信号元素e_N(t)为N号阵元的激励信号。考虑到圆环阵列的圆对称特性，阵元的编号的起始位置(即1号阵元)可在N个阵元中任意选择；阵元编号的增加方向可以是顺时针方向，也可以是逆时针方向。

下面对本发明之二，即，一种涡旋电磁波产生方法，进行说明。该方法包括以下步骤：

步骤S1，提供如上所述的涡旋电磁波产生装置；

步骤S2，通过信道编码模块1对外围输入的二进制的信息比特流进行编码；

步骤S3，通过星座映射模块2根据信道编码模块1输出的编码信息生成一个复数字信号流a(n)，该复数字信号流a(n)包括实部的I路信号流A_I(n)以及虚部的Q路信号流A_Q(n)(即，a(n)＝A_I(n)+jA_Q(n))；

步骤S4，通过OAM调制模块3根据模式定义模块7中预设的OAM拓扑荷l，将星座映射模块2输出的复数字信号流a(n)转变为用于激发携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波的N维阵元激励信号B(n)，其中，N维阵元激励信号B(n)包括N个激励信号元素b_k+1(n)，k＝0，1，……，N-1(即，B(n)＝[b₁(n)，b₂(n)，……，b_N(n)])，且第k+1个激励信号元素b_k+1(n)由下式(1)表示：

\begin{matrix} b_{k + 1} (n) = (A_{I} (n) c o s \frac{2 π l k}{N} - A_{Q} (n) \sin \frac{2 π l k}{N}) \\ + j (A_{I} (n) \sin \frac{2 π l k}{N} + A_{Q} (n) \cos \frac{2 π l k}{N}), \\ k = 0, 1, ......, N - 1 - - - (1); \end{matrix}

步骤S5，通过DAC模块4用于对OAM调制模块3输出的N维阵元激励信号B(n)进行数模转换，并生成N维模拟信号C(t)，其中，N维模拟信号C(t)包括N个模拟信号元素c_m(t)，m＝1，2，……，N(即，C(t)＝[c₁(t)，c₂(t)，……，c_N(t)])，且第m个模拟信号元素c_m(t)包括I路分量I_m(t)和Q路分量Q_m(t)；

步骤S6，通过正交上变频模块5根据相位同步模块8提供的本振信号，对DAC模块4输出的N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)，其中，N维射频信号D(t)包括N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N(即，D(t)＝[d₁(t)，d₂(t)，……，d_N(t)])，该正交上变频模块5包括N个上变频单元50，分别对N个模拟信号元素c_m(t)(m＝1，2，……，N)进行正交上变频，并相应地生成N个射频信号元素d_m(t)(m＝1，2，……，N)，且第m个射频信号元素d_m(t)由下式(2)表示：

步骤S7，通过圆环阵列发射天线6的N个单元天线分别接收正交上变频模块5输出的N维射频信号D(t)中的N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N，以发射携带OAM拓扑荷l的涡旋电磁波。

在本实施例中，步骤S4还可以包括：在将复数字信号流a(n)传输至OAM调制模块3之前，先通过OFDM调制模块9和加窗成帧模块10等第一符号级处理模块，对星座映射模块2输出的复数字信号流a(n)进行OFDM调制、时域加窗、成帧等处理，再将经过处理的复数字信号流a(n)传输至OAM调制模块3。

在本实施例中，步骤S6还可以包括：在将N维阵元激励信号B(n)传输至DAC模块4之前，先通过数字变频模块、脉冲成形模块等第二符号级处理模块，对OAM调制模块3输出的N维阵元激励信号B(n)进行数字变频、脉冲成形等处理，并将经过处理的N维阵元激励信号B(n)传输至DAC模块4。

在本实施例中，步骤S7还可以包括：在将N维射频信号D(t)传输至圆环阵列发射天线6之前，先通过功率放大器11和滤波器12等信号处理模块，对正交上变频模块5输出的N维射频信号D(t)进行功率放大和滤波等处理，再将经过处理的N维射频信号D(t)传输至圆环阵列发射天线6。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims

1.一种涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述装置包括：

2.根据权利要求1所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述N维阵元激励信号B(n)包括N个激励信号元素b_k+1(n)，k＝0，1，……，N-1，且第k+1个激励信号元素b_k+1(n)由下式(1)表示：

\begin{matrix} b_{k + 1} (n) = (A_{I} (n) c o s \frac{2 π l k}{N} - A_{Q} (n) \sin \frac{2 π l k}{N}) \\ + j (A_{I} (n) \sin \frac{2 π l k}{N} + A_{Q} (n) \cos \frac{2 π l k}{N}) \\ k = 0, 1, ......, N - 1 - - - (1); \end{matrix},

3.根据权利要求2所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述N维模拟信号C(t)包括N个模拟信号元素c_m(t)，m＝1，2，……，N；所述正交上变频模块包括N个上变频单元，且该N个上变频单元分别对所述N个模拟信号元素c_m(t)进行正交上变频；所述N维射频信号D(t)包括N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N，且第m个射频信号元素d_m(t)由第m个模拟信号元素c_m(t)经过第m个上变频单元正交上变频后获得，并由下式(2)表示：

4.根据权利要求3所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述N个上变频单元的本振信号的相位相同，第m个上变频单元的本振信号f_m(t)由下式(3)表示：

5.根据权利要求4所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述圆环阵列发射天线包括N个沿圆环等间隔排列的单元天线，且该N个单元天线分别接收所述N维射频信号D(t)中的N个射频信号元素d_m(t)，m＝1，2，……，N。

6.根据权利要求5所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述单元天线为微带贴片天线或喇叭天线。

7.根据权利要求1所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述装置还包括连接在所述星座映射模块与轨道角动量调制模块之间的第一符号级处理模块。

8.根据权利要求1所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述装置还包括连接在所述轨道角动量调制模块与所述DAC模块之间的第二符号级处理模块。

9.根据权利要求1所述的涡旋电磁波产生装置，其特征在于，所述装置还包括依次连接在所述正交上变频模块与圆环阵列发射天线之间的功率放大器和滤波器。

10.一种涡旋电磁波产生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，提供如权利要求1-9中任意一项所述的涡旋电磁波产生装置；

步骤S6，通过所述正交上变频模块根据所述相位同步模块直接提供或触发产生的本振信号，对所述N维模拟信号C(t)进行正交上变频，并生成N维射频信号D(t)；以及